Vorrichtung zur Reinigung von Trinkwasser

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur

mehrstufigen, modularen Reinigung von Trinkwasser, wobei ein Modul ein chelatisierendes Gel bzw. ein chelatisierendes und bakteriozides Gel zur Schwermetallentfernung bzw. zur

Schwermetallentfernung und Bakterienentfernung umfasst.

Der Reinigung von Wasser kommt aufgrund des steigenden Bedarfs durch eine wachsende Weltbevölkerung, global zunehmender

Umweltverschmutzung und gesteigerter Qualitätsanforderungen eine nicht zu unterschätzende Bedeutung zu.

Die Qualität von Wasser, speziell Trinkwasser kann durch eine Vielzahl stark unterschiedlicher, teils gesundheitsschädlicher Verunreinigungen beeinträchtigt sein. Insbesondere Schwermetalle aus Rohrleitungssystemen (insbesondere Blei), aus der

Landwirtschaft (beispielsweise Cadmium) , aus der Kohleverstromung (Quecksilber) oder aus natürlichen Quellen (Zink, Uran,

Lanthanoide) geben immer wieder Anlass zur Beunruhigung.

Auf der anderen Seite findet sich eine Vielzahl von organischen Mikroschadstoffen, überwiegend anthropogenen Ursprungs, im

Trinkwasser wieder. Zu den prominentesten Vertretern gehören hier Hormone (ursprünglich zur Empfängnisverhütung eingesetzt) oder Reste von Arzneimitteln bzw. deren Abbauprodukten bzw.

Agrarchemikalien .

Bakterien stellen eine dritte Gruppe von unerwünschten

Begleitstoffen im Trinkwasser dar. Häufig stammen diese aus Geräten zur häuslichen Wasseraufbereitung selbst, oder - insbesondere in wärmeren Weltregionen - aus dem Rohleitungssystem. Die größte Gefahr stellen diese Bakterien für Säuglinge und Kleinkinder bzw. Menschen mit geschwächtem

Immunsystem, zum Beispiel ältere Menschen dar.

Zur Desinfektion und Abtötung der Bakterien wird dem Trinkwasser in einigen Ländern „Chlor" (als Hypochlorid) zugesetzt. Dies sorgt zwar für eine Keimfreiheit, beeinträchtigt den Geschmack des Wassers allerdings deutlich.

Weitere unerwünschte, wenn auch nicht gesundheitsschädliche, Bestandteile des Wassers sind in hohen Konzentrationen Calcium und Magnesium, die als Härtebildner für die Wasserhärte

verantwortlich sind. Geringe Konzentrationen sind gesundheitlich für den Menschen nicht nur unbedenklich, sondern im Gegenteil gesundheitsförderlich. In hohen Konzentrationen (hohe

Wasserhärte) sorgen Calcium und Magnesium allerdings für eine deutliche Geschmacksbeeinträchtigung, außerdem für unerwünschte „Wasserflecken" in Küche und Bad bzw. den sogenannten Kesselstein in Wassererhitzern (Boiler) und im Kochgeschirr.

Zur Reinigung von Trinkwasser sind eine Vielzahl von

unterschiedlichen, teils komplementären Techniken auf dem Markt. Teilweise kombinieren die angebotenen Gerätschaften

unterschiedliche Methoden der Wasserreinigung, lassen aber durchgehend Lücken in Bezug auf eine vollständige Abreicherung oder Entfernung der individuellen Schadstoffe oder

Schadstoffklassen . Gleichzeitig weisen viele der etablierten Techniken deutliche Nachteile auf, wie geringe Kapazität, schlechte Ausbeute, zusätzliche Kontaminationen, hoher

Energieverbrauch, Geräuschbelästigung durch Pumpen etc. Die Umkehrosmose (engl. Reversed Osmosis, RO) verwendet zum Entfernen von Schadstoffen eine Membran, durch die mit hohem Druck das zu reinigende Wasser gepumpt wird. Schadstoffe aber auch wichtige Mineralien bleiben zurück und finden sich

angereichert im Retentat wieder. Diese Methode hat in der

Trinkwasseraufbereitung viele Nachteile, wie z. B. der hohe Wasserverlust (>80% Retentat) , die hohen Arbeitsdrücke, die durch eine Zusatzpumpe bereitgestellt werden müssen (damit einhergehend der hohe Energieverbrauch und Geräuschbelästigung) und nicht zuletzt die Vollentsalzung, die teilweise durch anschließende Zugabe von Calcium und Magnesium wieder aufgehoben werden muss. Trotz dieser Vielzahl an Nachteilen ist die Umkehrosmose zur Point-of-Use-Wasserreinigung weit verbreitet.

Die häufig in Lebensmittel-industriellen Anwendungsgebieten (Wein- und Bierherstellung) eingesetzte Ultrafiltration entfernt relativ zuverlässig Schwebstoffe und Bakterien, eignet sich aber nicht zur Entfernung von Schwermetallen oder „Chlor". Organische Mikroschadstoffe werden ebenfalls nicht oder nur sehr

unvollständig adressiert.

Aktivkohle wird in vielen haushaltsüblichen Wasserreinigern eingesetzt, vornehmlich um den „Chlor"-Geschmack zu entfernen und gleichzeitig organische Mikroschadstoffe zu entfernen. Die

Aktivkohle bindet keine Schwermetalle, reduziert nicht die

Wasserhärte und ist aufgrund ihrer Struktur sehr anfällig für Bakterienwachstum (Biofilmbildung) , was seinerseits wieder zu Kontamination des Trinkwassers mit Bakterien und deren

Stoffwechselprodukte führen kann („Enterotoxine") . Beispielsweise ist die im Handel unter der Bezeichnung MetCap-T- Kartusche zur Entfernung von Schwermetallen mit einem

chelatisierenden Harz (instrAction MetCap) gefüllt, dessen

Herstellung in DE 10 2014 012 566 Al und DE 10 2016 007 662 Al offenbart ist. Die Applikation in einer Kartusche ist ebenfalls in DE 102016007662 Al beispielhaft offenbart.

Das MetCap-T-Harz bindet aufgrund seiner chelatisierenden

Eigenschaften nahezu ausschließlich Schwermetalle. Alkali- und Erdalkalimetalle werden gar nicht bzw. aufgrund ihrer sehr viel geringeren Komplexbindungs konstanten nur sehr schwach gebunden und bei Anwesenheit von Schwermetallen durch diese verdrängt. Diese Selektivität ist genau umgekehrt wie bei

Ionenauschtauschern, die zur Enthärtung eingesetzt werden.

Neben der Eigenschaft eines MetCap-T-Harz-Typs , alle

Schwermetalle in hoher Kapazität und irreversibel zu binden, entfernt eine MetCap-T-Variante (wie in der deutschen Anmeldung 10 2017 007 273.6 offenbart) gleichzeitig Bakterien, wirkt also neben seiner Funktion als Schwermetall-Absorber bakteriozid.

Partikelfilter werden sehr häufig eingangsseitig in

Wasserreinigungsapparaturen verbaut, um Schwebstoffe und Partikel aus dem Leitungswasser zu entfernen. Sie dienen überwiegend dazu, den Rest der Apparaturen vor Verstopfung zu schützen und damit einen Druckanstieg und verminderte Produktivität zu verhindern.

Ionenaustauscher als Bestandteil von Enthärtungsmodulen werden zu Reduktion der Wasserhärte durch Entfernung von Calcium und

Magnesium eingesetzt. Diese Ionenaustauscher adressieren aber keine Mikroschadstoffe, ebenso wenig wie Chlor oder Bakterien, im Gegenteil, häufig sind sie von Biofilmbildung betroffen. Ein weiterer Nachteil ist ihre geringe Kapazität, insbesondere bei hartem Wasser. Gerade dort, wo der Einsatz von Enthärtungsmodulen besonders angezeigt ist, ist die Kapazität der

Ionenaustauscherharze besonders schnell erschöpft. Von allen Techniken zur Wasserreinigung erfordert der Ionenaustauscher mit weitem Abstand am häufigsten eine Regeneration. Diese erfolgt üblicherweise durch Spülen mit konzentrierter Kochsalzlösung. Ionenaustauscher binden neben Calcium und Magnesium auch

Schwermetalle. Diese werden allerdings mit zunehmender

Erschöpfung der Bindekapazität durch die weit höher

konzentrierten Calcium- und Magnesium-Ionen verdrängt und letztendlich dadurch im Eluat konzentriert. Letztendlich fehlt dem Ionenaustauscher die Selektivität für Schwermetalle gegenüber Calcium und Magnesium. Da letztere in direkter Konkurrenz zu den Schwermetallen stehen, sind diesen aufgrund ihrer weit höheren Konzentration bei einfachem Ionenaustausch hinsichtlich der Belegung von Bindungsplätzen überlegen.

Im Gegensatz dazu bindet das oben genannte MetCap-T-Harz selektiv und stark bevorzugt Schwermetalle und lässt die gesundheitlich unbedenklichen Calcium- und Magnesium- Ionen weitestgehend ungebunden passieren.

Hierin besteht der zentrale und wesentliche Unterschied zwischen Ionenaustauschern, die nicht-selektiv alle Kationen binden, und dem MetCap-T-Chelat-Harz , dass selektiv oder stark bevorzugt Schwermetalle aus der Lösung bindet.

Wie den oben aufgeführten Ausführungen zu entnehmen ist, ist keine der aufgeführten Komponenten für sich alleine geeignet, die komplexen und vielschichtigen Verunreinigungsprofile zu

adressieren, oder aber bringt wie die Umkehrosmose (RO)

gravierende Nachteile mit sich. Aus diesem Grund ist auf dem Markt bereits eine Reihe von

Herstellern mit Geräten vertreten, die verschiedene der

aufgeführten Techniken kombinieren. Beispielhaft sei hier nur die in CN 206359334 U offenbarte Vorrichtung genannt, bei der ein Partikelfilter, ein chelatisierendes Harz und eine

Ultratfiltrationseinheit miteinander kombiniert sind. In diesem Fall werden der „Chlor"-Geschmack und organische Mikroschadstoffe nicht beseitigt.

Viele der Geräte verfügen eingangsseitig über einen groben

Partikelfilter. Dieser dient dazu, die anschließende Vorrichtung vor Schmutzpartikeln und damit vor Verstopfung und Druckanstieg sowie damit verbundener verringerter Produktivität zu schützen. Ein gravierender Nachteil vieler aufgeführten Reinigungsmodule ist die Biofilmbildung, die (wie bei der Aktivkohle und dem Ionenaustauscher) , viele negative Folgen haben kann, von denen hier einige genannt seien: verringerte Kapazität, Verlust an Filtrationsleistung, Druckanstieg, verminderte Produktivität, Verunreinigung des Trinkwassers mit gesundheitsschädlichen

Bakterien und/oder deren toxischen Stoffwechselprodukten, generell Einbruch der Trinkwasserqualität.

Es bestand deshalb ein Bedarf, die oben genannten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden.

Diese Aufgabe wurde gelöst durch eine Vorrichtung zur

mehrstufigen, modularen Reinigung von Trinkwasser, wobei ein Modul ein chelatisierendes Gel bzw. ein chelatisierendes und bakteriozides Gel zur Schwermetallentfernung bzw. zur

Schwermetallentfernung und Bakterienentfernung umfasst. Die Vorrichtung kann gemäß einer Ausführungsform aus der Kombination verschiedener unabhängiger Module oder Kartuschen bestehen, die miteinander über Leitungen oder direkt verbunden sind .

Die Vorrichtung kombiniert und vereinfacht verschiedene,

orthogonale Techniken zur Wasserreinigung in einer Weise, dass höchste Qualitätsansprüchen genüge getan wird, indem verschiedene Verunreinigungsspektren nacheinander adressiert werden.

Die Kartuschen weisen eine Eingangsöffnung auf, durch die das Wasser aus dem Leitungssystem/Wasserhahn oder einer

vorgeschalteten Kartusche in die Kartusche eintritt und mit der jeweiligen Kartuschenfüllung in Kontakt kommt. Außerdem besitzt die Kartusche eine Ausgangsöffnung, durch die das prozessierte, gereinigte Wasser in die nächste Kartusche fließt oder an die Entnahmestelle gelangt.

Die Kartuschen sind vorzugsweise miteinander verbunden und in der Vorrichtung so fixiert, dass sie separat entnommen, ausgetauscht oder regeneriert werden können.

Die Vorrichtung arbeitet mit Leitungsdruck von bevorzugt 0,5-6 bar, noch bevorzugter von 1-5 bar, am meisten bevorzugt von 2-4 bar .

Kern der hier offenbarten Vorrichtungen ist eine Kartusche, gefüllt mit einem chelatisierenden MetCap-T-Harz zur Entfernung von toxischen Schermetallen mit und ohne bakteriozide Funktion. Wird eine bakteriozide Variante der MetCap-T-Harze verwendet, wie sie in der DE-Patentanmeldung 10 2017 007 273.6 offenbart sind, dann erübrigen sich weitere Einheiten zur Entfernung von Bakterien .

Die zentrale Kartusche kann kombiniert werden mit einer Reihe weiterer Kartuschen, die jeweils bestimmte

Verunreinigungsspektren adressieren, die durch das

chelatisierende Harz nicht adressiert werden. Diese Kartuschen können der zentralen MetCap-T-Kartusche vorgeschaltet oder nachgeschaltet sein.

Die gesamte Vorrichtung kann des Weiteren mit einem Tank oder direkt an ein Entnahme-Ventil angeschlossen sein. Die Vorrichtung kann weiterhin als Komponente in einem Wassererhitzungssystem genutzt werden.

Aufgrund der häufig notwendig werdenden Regeneration ist die Kartusche mit dem Ionenaustauscher-Harz mit einer Vorrichtung für eine einfache Wiederherstellung versehen. Diese wird durch Spülen mit konzentrierter Kochsalzlösung bewerkstelligt. Die

Notwendigkeit zur Regeneration wird in einer bevorzugten

Ausführungsform durch entsprechende Sensoren (wie z. B.

Wasserhärte, Leitfähigkeit, Durchflussmesszelle etc.) bestimmt und durch Warnleuchten angezeigt.

Die Regeneration kann manuell, semi-automatisch oder automatisch erfolgen, je nachdem ob die Vorrichtung in der jeweiligen

Ausführungsform mit entsprechenden Sensoren und Vorratstanks für Kochsalz oder Kochsalzlösung ausgestattet ist. Dazu ist das Enthärtungsmodul in einer bevorzugten Ausführungsform mit entsprechenden Anschlüssen und Ventilen ausgestattet. Das überschüssige Kochsalz wird direkt über den Ausguss in die

Kanalisation oder über das Entnahmeventil entsorgt. Bei allen anderen Kartuschen ist eine Regeneration mit Haushaltsmitteln nicht möglich und/oder technisch nicht sinnvoll.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Eingang des Partikelfilter mit dem Wasserleitungssystem

verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang des Aktivkohlefilter, dessen Ausgang seinerseits mit dem Eingang des Enthärtungsmodul, dessen Ausgang mit dem MetCap-Kartusche, dessen Ausgang wiederum an das RO-Modul angeschlossen ist, deren Ausgang dann in die Entnahmestelle mündet (siehe Figur 1) . Bei geringem Wasserdruck ist eingangs seitig an der Vorrichtung eine Pumpe angeschlossen.

Alternativ dazu kann der Partikelfilter direkt an den

Aktivkohlefilter, dann an die MetCap-Kartusche und schließlich an das RO-Modul angeschlossen sein (siehe Figur 2) .

In den beiden letzten Ausführungsformen kann die Reihenfolge der MetCap-Kartusche und dem Enthärter auch vertauscht sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der

Partikelfilter mit der Aktivkohlekartusche verbunden, die an das Enthärtungsmodul und nachfolgend an die MetCap-Kartusche

angeschlossen ist, gefolgt von einer UF-Membran (siehe Figur 3) . Alternativ dazu kann der Partikelfilter auch direkt mit der

Aktivkohle-Kartusche, der MetCap-Kartusche und der UF-Membran verbunden sein (siehe Figur 4) . Gegebenenfalls kann das

Enthärtungsmodul auch vor die MetCap-Kartusche gebaut werden. Die Vorteile dieser Ausführungsform liegen darin, dass in der Regel keine Pumpe notwendig ist, da die Vorrichtung einen so geringen Gegendruck aufweist, dass der Leitungsdruck für einen regulären Betrieb ausreichend ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der

Partikelfilter mit der Aktivkohlekartusche und der

Enthärtungskartusche verbunden, die wiederum an die MetCap- Kartusche angeschlossen ist, die ein chelatisierendes und bakteriozides Gel enthält (siehe Figur 5) .

Alternativ dazu kann der Partikelfilter auch direkt an die

Aktivkohle-Kartusche und diese direkt mit der MetCap-Kartusche, gefüllt mit einem chelatisierenden und bakterioziden Gel, verbunden sein (siehe Figur 6) .

In dieser Ausführungsform kann auf weitere Membranen zur

Bakterienentfernung verzichtet werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der

Partikelfilter direkt an die Enthärtungskartusche angeschlossen und diese direkt an die MetCap-Kartusche, gefüllt mit einem chelatisierenden und bakterioziden Gel (siehe Figur 7) .

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist der

Partikelfilter direkt an die MetCap-Kartusche, gefüllt mit einem chelatisierenden und bakterioziden Gel angeschlossen (siehe Figur 8) . Diese Ausführungsform ähnelt der Kartusche, die in DE

102016007662 Al offenbart wurde, unterscheidet sich aber von dieser in ihrer Füllung mit einem chelatisierenden und

bakterioziden Gel.

Die Vorrichtung kann leicht mit allen gängigen weiteren

Reinigungs- oder Lagerungsmodulen kombiniert werden,

beispielsweise einem nachfolgenden Tank zur Aufbewahrung des gereinigten Wassers, oder weiteren Reinigungstechniken, wie UV- Entkeimung (im Tank oder On-Line) , Redoxfiltern etc., bzw. zur weiteren Verwendung in der Heißwasserbereitung, CCg-Zusatz-Modul zur Herstellung von Sprudelwasser, etwaige Chlorierung oder Wasserstoffperoxid-Zusatz zur nachträglichen Entkeimung oder Haltbarmachung etc.

Die Vorrichtung beeinflusst oder beeinträchtigt die Art der nachfolgenden Wasserentnahme oder Wasserbehandlung nicht.

Die Leistungskraft der Vorrichtung kann an geeigneter Stelle, entweder am Entnahmepunkt oder an den Punkten zwischen den einzelnen Modulen durch geeignete Sensoren überwacht werden.

Geeignete Sensoren sind beispielsweise, aber nicht

ausschließlich, pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, Sensoren zur Kontrolle der Bakterienkonzentration, Ionen-selektive Sensoren, UV-Sensoren etc. Eine Durchflusszelle kann die prozessierte Wassermenge messen.

Die Sensoren sind in einer bevorzugten Ausführungsform an ein Datenverarbeitungssystem angeschlossen, dass aufgrund der

Messwerte die Funktion der einzelnen Module überwacht und entsprechende Meldungen ausgibt, wenn der Austausch oder die Regeneration einer Kartusche zu erfolgen hat. Der Austausch der Module kann mit Hilfe der Sensoren auch rein Zeit-gesteuert bzw. Volumen-gesteuert erfolgen. Je nach Ausführungsform kann das Datenverarbeitungs system eine automatische Regeneration des Enthärtungsmoduls einleiten oder ein Ventil verschließen, um den Austausch von Modulen als Voraussetzung für einen Weiterbetrieb zu erzwingen.

Die hier beschriebenen Vorrichtungen erlauben erstmals eine umfassende Reinigung von Trinkwasser als einfache Lösung für den Haushalt, die allen bekannten Systemen hinsichtlich der Qualität des gereinigten Wassers und der Ausbeute bzw. dem

Energieverbrauch überlegen ist. Die Vorrichtungen konzentrieren sich zum einen auf die Entfernung wirklich schädlicher, teilweise toxischer Substanzen und zum anderen auf die allgemeine Verbesserung der Wasserqualität durch Verbesserung des Geschmacks (beispielsweise durch die Entfernung von „Chlor") .

In der kleinsten Ausführung eignet sich die Vorrichtung für den Einsatz im Haushalt und orientiert sich an den typischen

Verbräuchen. In größeren Ausführungen kann die Vorrichtung auch in Mehrfamilie-Häusern, Wohnanlagen, in Restaurants,

Krankenhäusern, auf Schiffen oder anderen Einrichtungen mit einem Bedarf an qualitativ hochwertigem Trinkwasser eingesetzt werden.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist entsprechend die

Verwendung der oben genannten Vorrichtungen zur Reinigung von Trinkwasser .

Figurenverzeichnis :

Die nachfolgenden Figuren dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Dabei zeigt

Figur 1: Schematischer Aufbau der Vorrichtung zur Wasserreinigung mit Partikelfilter, Aktivkohle-Modul, Enthärtungsmodul, MetCap- Modul und RO-Membran-Modul .

Figur 2 : Schematischer Aufbau der Vorrichtung zur Wasserreinigung mit Partikelfilter, Aktivkohle-Modul, MetCap-Modul und RO- Membran-Modul .

Figur 3: Schematischer Aufbau der Vorrichtung zur Wasserreinigung mit Partikelfilter, Aktivkohle-Modul, Enthärtungsmodul, MetCap- Modul und UF-Membran-Modul .

Figur 4 : Schematischer Aufbau der Vorrichtung zur Wasserreinigung mit Partikelfilter, Aktivkohle-Modul, MetCap-Modul und UF- Membran-Modul .

Figur 5: Schematischer Aufbau der Vorrichtung zur Wasserreinigung mit Partikelfilter, Aktivkohle-Modul, Enthärtungsmodul und

MetCap-Modul mit bakteriozider Zusatzfunktion.

Figur 6: Schematischer Aufbau der Vorrichtung zur Wasserreinigung mit Partikelfilter, Aktivkohle-Modul und MetCap-Modul mit bakteriozider Zusatzfunktion.

Figur 7 : Schematischer Aufbau der Vorrichtung zur Wasserreinigung mit Partikelfilter, Enthärtungsmodul und MetCap-Modul mit bakteriozider Zusatzfunktion. Figur 8: Schematischer Aufbau der Vorrichtung zur Wasserreinigung mit Partikelfilter und MetCap-Modul mit bakteriozider

Zusatzfunktion .